Introduction aux Neurosciences Cognitives Licence 1ère année de

Introduction aux Neurosciences Cognitives
Licence 1ère année de Psychologie – S1UE1
Ce document est destiné aux étudiants en 1ère année de Psychologie qui suivent
l’enseignement « Introduction aux Neurosciences Cognitives » à l’université de Rouen. Il sert
de support au cours de Vincent Roy.
Une version PDF est téléchargeable sur mon site d’enseignement ou vous
trouverez également des annales des examens ainsi que des liens connexes au
cours :
http://psychobiologierouen.free.fr
Ce document a été réalisé à partir d’illustrations trouvées sur Internet ou dans les ouvrages cités en fin de présentation. Si
toutefois vous estimez qu’une illustration ne devrait pas y figurer car protégée par des droits de copyright merci de me prévenir
afin que je la remplace.
This document was made of some illustrations found on Internet or in the books that are cited at the end of the document. If
you estimate that an illustration should not be used here since it is protected by copyrights just tell me and I will replace it.
[email protected] – Septembre 2013
Introduction aux Neurosciences Cognitives
Licence 1ère année de Psychologie – S1UE1
Organisation de l’enseignement
Semaine 1 : CM1 – Vincent Roy
Semaine 2 : CM2 – Vincent Roy
Semaine 3 : CM3 – Vincent Roy
Semaine 4 : TD1 – Vincent Roy
Semaine 5 : TD2 – Vincent Roy
Semaine 6 : TD3 – Vincent Roy
Contrôle Continu
Semaine 7 : CM4 – Pierre Chapillon
Semaine 8 : CM5 – Pierre Chapillon
Semaine 9 : CM6 – Pierre Chapillon
Semaine 10 : TD4 – Pierre Chapillon ou intervenant
Semaine 11 : TD5 – Pierre Chapillon ou intervenant
Semaine 12 : TD6 – Pierre Chapillon ou intervenant
Contrôle Continu
Introduction :
Pourquoi des Neurosciences
cognitives dans un cursus de
Psychologie ?
Pour comprendre les bases neurobiologiques du comportement
• Comportements normaux
• Sensations, perception et motricité
• Sommeil, comportement alimentaire, comportement sexuel…
• Apprentissages et mémoire, résolution de problème, émotions, conscience…
• Troubles du comportement et atteintes du système nerveux
• Dépression, Anxiété, Troubles moteurs et perceptifs, Maladie d’Alzheimer,
Maladie de Parkinson, Sclérose en plaques, Epilepsies, Méningites…
• Développement et Vieillissement
Pour comprendre le monde qui nous entoure
•
Le neuromarketing s’appuie sur des résultats obtenus en
neurosciences pour vendre des produits ou communiquer. Des
données de la psychologie avait déjà été utilisées pour les
messages subliminaux.
•
Le secteur judiciaire s’intéresse également aux neurosciences : détecter les
mensonges en imagerie par résonance magnétique fonctionnelle ?
•
Les « neuro-mythes » : la mémoire de 3
secondes du poisson rouge, on utilise
seulement 10% de notre cerveau…
•
Les substances qui augmenteraient la
mémoire (avant les partiels) ou celles qui la
détériore (drogue du violeur)
•
Les jouets et média « interactifs » qui
rendraient les enfants plus « intelligents ».
Partie 1 :
Qu’est-ce que le
Système Nerveux ?
http://lecerveau.mcgill.ca/
A quoi sert le système nerveux ?
Gérer les relations de notre organisme avec le monde extérieur
Entretenir la vie de notre organisme
Le fonctionnement du système nerveux ne peut donc se concevoir
indépendamment du corps (milieu intérieur) et du monde qui nous entoure
(milieu extérieur).
Les fonctions du système nerveux
La fonction sensitive
Message tactile au niveau de la peau
Taux de sucre (glycémie) dans le sang
La fonction d’intégration
Traitement conscient ou non du message
La fonction motrice
Motricité pour saisir un objet
Libération d’insuline par le pancréas
Sur le plan anatomique on distingue le système nerveux central (SNC) du
système nerveux périphérique (SNP)
SNC
SN Central = Encéphale
+ Moelle épinière
SNP
Sur le plan fonctionnel on distingue le système nerveux cérébro-spinal du
système nerveux autonome
Le système nerveux cérébro-spinal permet de gérer les relations de notre
organisme avec le monde extérieur. Il est aussi appelé système nerveux
somato-sensoriel
Volontaire
Involontaire
Le système nerveux autonome, aussi appelé système nerveux végétatif ou
neurovégétatif permet d’entretenir la vie de l’organisme
SNA sympathique
« Activation »
SNA parasympathique
« Inhibition »
Description du Système Nerveux
•
Système Nerveux Central
•
L’encéphale
•
Le cerveau
•
Le cervelet
•
Le tronc cérébral
Les cellules du système nerveux
•
•
La moelle épinière
Système nerveux périphérique
•
•
Les nerfs crâniens
Les nerfs spinaux
Le système nerveux central (SNC)
L’encéphale
• L’encéphale comprends les éléments dans la boîte crânienne.
• Il est donc composé du Cerveau mais aussi du Cervelet et du Tronc cérébral
Cerveau
Cervelet
Tronc
cérébral
Cervelet
Le cerveau
Forme ovoïde
Deux hémisphères
interconnectés
Scissure inter-hémisphérique
ou Fissure longitudinale
Observer le cerveau
Coupe coronale ou frontale
Coupe sagittale ou médiane
Coupe horinzontale ou axiale
Le cerveau
Scissure Centrale
(de Rolando)
Lobe
Pariétal
Lobe
Frontal
Lobe
Temporal
Scissure Latérale
(de Sylvius)
Lobe
Occipital
Le cerveau
Circonvolution
Temporale 1
Sillon
T1
T2
T3
T4 et T5 en vue inférieure
Le cerveau : vue interne
Matière blanche
Matière grise
La matière grise : cellules nerveuses et cellules gliales
La matière blanche : des fibres nerveuses
Les cellules du système nerveux
Axone
Dendrites
Cellule nerveuse (neurone)
avec ses prolongements
• Cellules nerveuses ou Neurones
• Grace à sa membrane excitable et à ses prolongements, le neurone peut
recevoir, conduire (voie électrique) et transmettre (voie chimique) des
messages nerveux. La transmission se fait au niveau des synapses
Environnement
Récepteur
sensoriel
Effecteur
(ex : muscle)
• Il existe de très nombreux types de Neurones
• Cellules gliales
Suite de la description de l’encéphale
• Le tronc cérébral régule des fonctions vitales
de l’organisme. Il a donc un rôle majeur dans le
fonctionnement du SN autonome.
• Rythme cardiaque, respiration, sommeil…
• Le cervelet est impliqué dans l’équilibration,
la posture, le tonus musculaire et la motricité
fine.
• Il joue également un rôle dans la régulation
des apprentissages, des émotions...
La moelle épinière et la colonne vertébrale
Le système nerveux périphérique (SNP)
12 paires de Nerfs Crâniens
31 paires de nerfs spinaux
Vers le cerveau
Entrée
sensorielle
Sortie
motrice
L’arc réflexe au niveau de la moelle épinière
Partie 2 :
Évolution des idées sur le
cerveau et le comportement
Le débat cardiocentrisme versus cérébrocentrisme
• Théorie cardiocentriste : le cœur est le centre de la pensée
• Aristote : le cœur est le siège de l’âme ; le cerveau est un organe de «
refroidissement »
• La bible fait mention du cœur et des entrailles - « Donne moi un cœur plein de
sagesse » - mais pas du cerveau
• Expressions courantes dans le langage
• Théorie cérébrocentriste : le cerveau est le centre de la pensée
• Hippocrate : Non seulement nos plaisirs, nos joies et nos rires mais également
nos tristesses, nos peines et nos chagrins proviennent du cerveau, et du cerveau
uniquement. Grâce à lui nous pensons et comprenons, pouvons voir et entendre ;
il nous permet de distinguer le laid du beau, ce qui est agréable de ce qui ne l’est
pas, ce qui est bon de ce qui est mauvais.
Premiers liens entre système nerveux et comportements
Galien (131-201)
Vivisections chez l’animal :
- La section des nerfs provoque des réactions directement observables
Soigne des gladiateurs :
- Des blessures à la tête provoquent des changements dans le comportement
Le dualisme cartésien
> Traité de l’homme (1633 mais publié seulement en 1664)
> Animal machine : Engrenage / Systèmes hydrauliques
> Homme : Ame d’origine divine, matérialisée par la glande pinéale
Descartes (1596-1650)
Réflexe spinal
Le matérialisme darwinien et la théorie de la sélection naturelle
> L’origine des espèces au moyen de la sélection naturelle (1859)
> Bases biologiques communes au comportement chez l’homme et
chez les autres animaux
Darwin (1809-1892)
Phalène du bouleau
Les théories localisationniste et holistique au 19ème siècle
Comment notre cerveau régule t’il nos comportements ?
M. Gazzaniga dans Neurosciences Cognitives – On vous donne un
problème à résoudre : Soit une masse de tissu biologique dont on
sait qu’elle pense, qu’elle se souvient, fait attention, résout des
problèmes, désire faire l’amour, joue, écrit des romans, manifeste
des préjugés et fait une infinité d’autres choses.
Vous êtes censé arriver à comprendre comment elle fonctionne…
Est-ce que le cerveau fonctionne
comme un tout ? Chacune de ses
parties contribue également au
comportement ?
Est-ce que chaque partie du cerveau
remplie une fonction particulière de
façon indépendante du reste du
cerveau ?
Est-ce que la bonne solution est intermédiaire ?
La Phrénologie : Franz Joseph GALL (1757 – 1828)
« Art de reconnaître les instincts, les penchants, les talents et les
dispositions morales et intellectuelles des hommes et des
animaux par la configuration de leur cerveau et de leur tête »
Début du 19ème siècle GALL envisage l’existence des localisations
corticales en développant la cranioscopie (phrénologie).
● Une disposition intellectuelle
particulière se traduit par une
hypertrophie du cerveau au
niveau de la région qui régule
cette disposition et donc par une
déformation du crâne à cet
emplacement.
● L’analyse des bosses du crâne
révèlerait donc les capacités
intellectuelles d’une personne…
La conception holistique du fonctionnement cérébral : le cerveau fonctionne
comme un tout et il n’existe pas de localisation des fonctions
Pierre Jean Marie Flourens (1794-1867)
Des lésions d’aires cérébrales particulières ne s’accompagnent pas de troubles
comportementaux définis chez l’oiseau
« Il n’y a donc pas de siège pour les différentes facultés,
ni pour les diverses sensations… » (1842)
La conception localisationniste du fonctionnement cérébral : chaque zone du
cerveau serait associée à une fonction dont elle a le contrôle
John Hughlings Jackson (1835-1911)
> Observations sur des patients épileptiques
> Observations sur des patients lésés dans l’hémisphère droit
> Idées de compensation et de restauration fonctionnelle
La conception localisationniste du fonctionnement cérébral
Broca et l’aphasie de Production
Il localise une zone responsable de la production du langage
dans le tiers postérieur de la 3ème circonvolution frontale
> Dans l’hémisphère GAUCHE
Paul Broca (1824-1880)
Aphasie de BROCA = Aphasie de production
> Flourens module les résultats de Broca – cf. Travaux dirigés
Wernicke (1848-1905) et l’aphasie de compréhension
Il localise une zone responsable de la
compréhension du langage dans le
lobe temporal supérieur et dans le
tissu pariétal adjacent
> Dans l’hémisphère
GAUCHE
Aphasie de WERNICKE = Aphasie
de compréhension
Aphasie de Conduction
Les fibres de passage qui relient les
zones de Broca et de Wernicke sont
endommagées
Le comportement est une constellation d'activités indépendantes
(mais liées) et non un tout unitaire
● Claude Bernard : Il faut observer un organisme dans son
ensemble pour en comprendre le fonctionnement
● Head et Von Monakov : Un cerveau lésé est un nouveau
système, pas le système de base moins un élément
● Hughlings Jackson : Il faut bien distinguer la localisation
des symptômes et la localisation d’une fonction
Comportement
/ symptômes
Entrées
sensorielles
Karl Lashley (1890 – 1958) : Psychologue expérimental
● Des lésions cérébrales focales ont très peu d’effet sur les performances
d’apprentissage de rats dans des labyrinthes
► L’apprentissage
sensorielles
est
réalisé
à
partir
de nombreuses modalités
A partir de 1900…
Les débuts de l’histologie : Camillo Golgi et Santiago Ramon Y Cajal
Golgi (1843 – 1926)
Cajal (1852 – 1934)
Exemple de neurones colorés par la méthode
de Golgi
Représentation des neurones du cortex par
Ramon y Cajal
► Idée d’un syncytium neuronal
► Doctrine Neuronale : les neurones
sont unitaires et forment un réseau
Luigi Galvani (18ème siècle) : Les cellules nerveuses produisent de l’électricité
Johannes Muller et Hermann von Helmholtz (19ème siècle) : L’activité
électrique d’une cellule nerveuse affecte une autre cellule de façon prédictible
Charles Sherrington (1857 – 1952) : Il introduit le terme de Synapse
en 1897 et le concept d'unidirectionnalité pour la transmission
synaptique
Donald Hebb (1904 – 1985) : Définit le
concept de plasticité synaptique, qui
représente une base biologique pour
les apprentissages et à la mémoire
Brodmann et les cartes cytoarchitectoniques (1868 – 1918)
> En se basant sur des différences neuroanatomiques au
niveau des couches corticales, Brodmann décrit 52 aires et
dessine ses cartes cytoarchitectoniques (1909)
Wilder Penfield (1891 – 1976) et les homunculi
La stimulation électrique de zones corticales précises chez
des patients éveillés conduit à des sensations ou des
mouvements
Homunculus moteur
Homunculus sensoriel
Roger Sperry (1913-1994) et les patients “split brain”
Le corps calleux permet le transfert des
informations d’un hémisphère à l’autre dans le
cerveau.
En étudiant des patients « split brain », Sperry
montre la spécialisation hémisphérique pour
certaines fonctions.
http://www.nobelprize.org/educational/medicine/split-brain/splitbrainexp.html
Depuis les années 1950
► Des neurones individualisés sont la base du système nerveux
► Les idées localisationnistes sont plutôt bien admises
Est ce que la compréhension des
mécanismes unitaires permettrait de
comprendre comme le cerveau fait
jaillir l'esprit ?
Il faut s'intéresser aux différents
niveaux, on ne peut pas toujours
partir de la base biologique pour
comprendre un processus
Développement des Neurosciences cognitives
► Notion de réseaux neuraux impliquant plusieurs structures cérébrales pour
une même fonction
Exemple d’une illustration des réseaux neuraux
impliqués dans la compréhension du langage
(Vigneau et al. 2006)
► Recherches sur les interfaces « Neurones – Machine »
Une culture de neurones fœtaux de rat est disposée dans une coupelle et
reliée à une interface informatique par le biais de microélectrodes.
La culture de cellules « dialogue » alors avec un programme informatique et
elle « apprend » à se déplacer dans un environnement virtuel en évitant des
obstacles. Cf. par exemple les travaux de Steve Potter, Georgia Inst. of Technology (Atlanta)
► Recherches sur les interfaces « Neurones – Machine »
Le robot Gordon (K. Warwick, Université de Reading, GB) : Une culture de
50000 à 100000 neurones de rat dirige un robot pour lui éviter des obstacles.
Les neurones mis en culture établissent des connexions après 24h puis
commencent à s’envoyer des messages nerveux. Ces messages sont captés
par des microélectrodes en vue de « diriger » le robot.
► Recherche sur les interfaces « Cerveau – Machine »
Une plaquette de microélectrodes est implantée dans le cortex moteur d’un
patient paraplégique et l’activité enregistrée est envoyée à un ordinateur qui
va la traduire pour permettre au patient de contrôler un curseur, une prothèse
ou bien de jouer à un jeu sur un écran.
Hochberg et al. 2006 ; Nature
« Profitons de ces expériences pour réexaminer le trop grand écart qui existe
(en Europe) entre la raison et le corps sensible » (Alain Berthoz).
« Notre intelligence, notre créativité, nos sens, nos émotions, nous les devons
à de simples messages électrochimiques »
Partie 3 :
Les principaux outils
d’exploration du système nerveux
et de son fonctionnement
Exploration anatomique et
histologique du système nerveux
La neuroanatomie consiste à décrire la structure et l’organisation des
différentes régions du système nerveux
• Description visuelle
• Techniques d’imagerie cérébrale
Les techniques d’imagerie cérébrale
• Scanner à rayon X (Computerized Tomography)
Les techniques d’imagerie cérébrale
• Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) Anatomique
L’histologie du système nerveux a pour objectif de décrire les tissus nerveux
et leurs constituants
• Techniques de coloration
• Techniques de microscopie
Coloration des cellules nerveuses
Coloration de la myéline
Microscopie optique et fluorescence
Microscopie électronique
Exploration fonctionnelle du
système nerveux
Etudier le fonctionnement du système nerveux et de ses constituants
Des cellules du système nerveux, les neurones, produisent et conduisent des
courants électriques que l’on peut mesurer.
Pour fonctionner, les neurones ont besoin notamment de glucose et d’oxygène,
apportés par le sang. On peut mesurer le débit sanguin dans le cerveau.
L’électrophysiologie permet de mesurer l’activité électrique au niveau d’une
cellule nerveuse ou d’un tissu nerveux
• Electroencéphalogramme (EEG)
• Rythmes d’éveil / veille
• Mort cérébrale
• Localisation de foyers épileptiques
• Les potentiels évoqués (PE)
N1
mV
N2
P3
Temps en ms.
P1
Signal électrique « moyen »
Les signaux EEG obtenus à chaque présentation du stimulus sont « moyennés » afin
d’isoler le potentiel électrique moyen évoqué par un stimulus (son, image, mot…)
L’imagerie cérébrale fonctionnelle permet d’observer les régions du cerveau
en fonctionnement
• La Tomographie par Emission de Positrons (TEP)
• L’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf)
Hémoglobine oxygénée
Hémoglobine désoxygénée
Au repos
« Activation »
Le « contraste » entre l’activité au repos et l’activité durant une tâche cognitive
permet de déterminer les régions impliquées dans cette tâche.
• L’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf)
FIN
Et plein d’autres nouvelles techniques…
• Neurosciences cognitives (la biologie de l'esprit) : Gazzaniga, Michael S ; Ivry, Richard B. ; Mangun, George
Ronald, Editeur : De Boeck université (2001) – BU Sciences Mont-Saint-Aignan Salle Fresnel 612.8 GAZ & BU
Lettres Salle de lecture 159.91 GAZ
• Psychobiologie : Rosenzweig, Mark R. ; Leiman, Arnold L. ; Breedlove, S. Marc, Editeur : De Boeck université
(1998) – BU Lettres Salle de lecture 159.9 ROS & BU Sciences Mont-Saint-Aignan Salle Fresnel 612.821 ROS
• Neurosciences : Purves, D. ; Augustine G.J., 2e éd. française avec CD-Rom incorporé, Editeur : De Boeck (2003) –
BU Sciences Mont-Saint-Aignan Salle Fresnel CD 612.8 NEU
• Le Cerveau à tous les Niveaux : http://lecerveau.mcgill.ca/
• Histoire du cerveau : Parent, A. Presses universitaires de Laval. BU Sciences Mont-Saint-Aignan 612.82 PAR
• Cerveau et comportement : Kolb, B. & Whishaw, I., Editeur : De Boeck (2002), 1ère Edition